PENGARUH RASIO MOL Li/Mn PADA PROSES PREPARASI LITHIUM ...
Transcript of PENGARUH RASIO MOL Li/Mn PADA PROSES PREPARASI LITHIUM ...
PENGARUH RASIO MOL Li/Mn PADA PROSES PREPARASI LITHIUM MANGAN OKSIDA TERHADAP KEMAMPUAN
ADSORBSI ION LITHIUM DARI LUMPUR SIDOARJO
Dosen Pembimbing: Lukman Noerochiem, S.T., M.T., Ph.D
Gita Akbar Satriawangsa
2710100085
LATAR BELAKANG
Kehidupan sehari-hari manusia tidak bisa jauh dari peralatan elektronik portable.
Baterai Li-ion digunakan sebagai penyimpan energi memiliki komposisi utama Lithium
Bagian utama dari peralatan elektronik tersebut adalah baterai -> Terutama Baterai Li-ion
6.160 TON
Konsumsi lithium dunia sebagai baterai pada 2012 mencapai:
Total = 28.000 TON (US. Geological Survey, 2013)
78%
22%
OthersBattery
SUMBER LITHIUM
0.17 PPM LITHIUM (Dang, 1978)
VARY EX: UYUNI BRINES
900 PPM (An, 2012)
VARY EX: SPODUMENE
6.95% Li2O (Devaraju, 1990)
GEOTHERMAL FLUID
VARY EX: KYUSHU 10 PPM LITHIUM
(Yoshinaga, 1982)
LUMPUR SIDOARJO
Terjadi sejak 2006, Pada 2011 debit lumpur mencapai 10.000m3/day.
Diperkirakan masih akan terjadi 25-30 tahun lagi (Davies, 2011)
Wataru Tanikawa, E-Proceeding Symposium On Future LuSi (2011)
5-6 PPM (mg/liter)
Proses Adsorbsi • Salah satu cara mendapatkan lithium dari alam ialah dengan
melakukan proses adsorbsi dengan adsorben yang dapat menyerap lithium.
• Beberapa senyawa telah diteliti untuk digunakan dalam proses adsorbsi ini.
• Lithium Mangan Oksida dipilih pada penelitian ini karena memiliki beberapa sifat sifat yang menguntungkan, seperti murah dan ramah lingkungan.
(Chung, 2008)
• Kantong polypropylene digunakan untuk membentuk wadah bagi adsorben agar tidak lepas, polypropylene digunakan karena kemampuannya untuk menahan asam terutama HCl.
(Chung, 2008)
Lithium Mangan Oksida
Senyawa Lithium Mangan Oksida sesuai dengan Valensi mangan serta rasio mol Li/Mn.
(Chitrakar, 2000)
Lithium Mangan Oksida • Lithium mangan oksida jenis spinel memperlihatkan
kemampuan adsorbsi yang sangat baik terhadap ion lithium.
• Bergeraknya ion lithium masuk dan keluar dari senyawa ini tidak merubah struktur kristal yang sudah ada, sifat seperti ini sering disebut topotaktis.
• Karena kemampuan tersebut Lithium Mangan Oksida jenis Spinel sesuai digunakan untuk adsorbent serta juga katoda pada baterai (Ning, 2006)
Lithium Mangan Oksida
• Pada Penelitian ini dilakukan sintesa Lithium Mangan Oksida sebagai berikut: – LMO 0,5 = LiMn2O4
– LMO 0,8 = Li1.33Mn1.67O4
– LMO 1 = Li1.6Mn1.6O4
– LMO 2 = Li2MnO3
RUMUSAN MASALAH
Apakah Lithium Mangan Oksida mampu mengadsorb
lithium dari Lumpur Sidoarjo?
Bagaimana pengaruh dari rasio mol Li/Mn terhadap
struktur kristal dan morfologi dari Lithium Mangan Oksida
yang terbentuk?
Bagaimana pengaruh dari rasio mol Li/Mn Lithium
Mangan Oksida terhadap kemampuan adsorbsi Lithium
dari Lumpur Sidoarjo?
BATASAN MASALAH
Homogenitas kandungan Lithium dari sampel yang diambil dari Lumpur Sidoarjo
Temperatur udara selama proses kalsinasi dianggap konstan
Massa serbuk LMO yang terdapat pada semua kantong adsorben tepat 0.1 gram
TUJUAN PENELITIAN
Mengetahui pengaruh rasio mol Li/Mn terhadap struktur
kristal dan morfologi pada Lithium Mangan Oksida yang
terbentuk.
Mengetahui pengaruh rasio mol Li/Mn Lithium Mangan
Oksida terhadap kemampuan adsorbsi Lithium dari Lumpur
Sidoarjo.
METODOLOGI PENELITIAN
Preparasi Absorben (Lithium Mangan
Oksida)
Preparasi Lumpur Sidoarjo
Proses Adsorbsi Lithium Dari Lumpur Sidoarjo
(Simplified Flowchart Penelitian)
PREPARASI ADSORBEN Mixing Li2CO3 dengan MnO2
(LMO 0,5;0,8;1;2)
Kalsinasi (500OC, 5jam)
Dimasukkan Kantong Membran Polypropylene
Acid Treatment dengan HCl 0,5 M selama 24 jam
Pengujian XRD, SEM
Pengujian XRD
PREPARASI LUMPUR SIDOARJO
Sentrifuge 2500 rpm, 20menit
Memisahkan Likuid dengan Solid
Air Lumpur Sidoarjo Pengujian ICP
HASIL KALSINASI LITHIUM MANGAN OKSIDA
LMO 0,5 LMO 0,8
LMO 1 LMO 2
PEMBUATAN ADSORBEN
Adsorbent Acid Treatment
Memasukkan Adsorbent
dalam Kantong
Pembuatan Kantong
Kantong Polypropylene Proses Pembuatan Kantong Polypropylene
Proses acid Treatment
PREPARASI LUMPUR SIDOARJO
Air Lumpur Sidoarjo siap
digunakan
Centrifuge (2500 rpm, 15
minute)
Pengambilan Sample Lumpur Sidoarjo
Sebelum centrifuge Sesudah centrifuge serta pemisahan solid dari likuid
PROSES ADSORBSI
Air Lumpur Sidoarjo di
Uji ICP kembali
Setelah 24 jam,
adsorben dikeluarkan
Memasukkan adosrben ke
dalam Lumpur Sidoarjo
Proses Adsorbsi
ANALISA PENGUJIAN XRD
• Pengujian XRD dilakukan 2 kali, setelah kalsinasi dan setelah proses acid treatment.
• Pengujian XRD setelah kalsinasi untuk mengetahui fasa apa saja yang terbentuk pada setiap sample dan bagaimana struktur kristal dari masing-masing sample.
• Sedang pada pengujian XRD setelah acid treatment dilakukan untuk mengetahui bagaimanakah perubahan pada sample adsorben ketika lithium pada struktur kristal dikeluarkan.
HASIL XRD SETELAH KALSINASI
(2)
(1)
(0,8)
(0,5)
Δ=Fasa LMO Spinel □=Li2CO3 ○=Li2MnO3
• Dengan mencocokan hasil spektra XRD sample dengan PDF card diketahui bentuk Crystal System dari masing-masing sample.
Nama Sample
Rumus Kimia PDF Card Number
Crystal Structure
Crystal System
LMO 0,5 LiMn2O4 00-035-0782 Spinel Cubic
LMO 0,8 Li1,3Mn1,6O4 01-088-0460 Spinel Cubic
LMO 1 Li1,6Mn1,6O4 00-052-1841 Spinel Cubic
LMO 2 Li2MnO3 00-027-1252 Monoclinic
• LMO 0,5; 0,8 dan 1 memiliki crystal struktur yang sama dengan reference PDF CARD yaitu spinel.
• Dengan menggunakan rumus:
• 𝑎𝑎 = (ℎ2 + 𝑘𝑘2 + 𝑙𝑙2) × 𝑑𝑑2 • Dapat diketahui berapa ukuran lattice parameter
pada sample yang memiliki system cystal cubic (LMO 0,5; 0,8 dan 1)
Nama Sample
Rumus Kimia Lattice Parameter
(A)
LMO 0,5 LiMn2O4 8,23
LMO 0,8 Li1,3Mn1,6O4 8,16
LMO 1 Li1,6Mn1,6O4 8,15
h,k,l didapat dari PDF card pada d yang hampir sama dengan hasil pengujian
• Perbedaan ukuran lattice parameter disebabkan oleh distribusi lithium pada system kristal masing-masing sample.
• Pada LMO 0,5(LiMn2O4) Lithium mengisi posisi tetrahedal sedang mangan mengisi posisi oktahedral.
• Semakin bertambahnya rasio Li/Mn maka distribusi lithium tidak lagi hanya berada pada posisi tetrahedral namun juga mengganti sebagian mangan pada posisi oktahedral
LMO 0,5 LMO 0,8 (Y-S Kim Et al, 2002)
• Sedang pada LMO 2 yang terbentuk bukan lagi struktur spinel tapi struktur monoklinik.
• Serta dari analisa XRD juga diketahui terdapat Lithium Karbonat yang belum bereaksi pada adsorben LMO 2.
Struktur monoklinik Li2MnO3
PENGUJIAN EDX
• Pengujian ini dilakukan untuk memastikan keberadaan Lithium Karbonat pada sample LMO 2(yang terindikasi dari hasil XRD).
Element Mean Value
(Mass Percent) Carbon 10,96 Oksigen 60,10 Mangan 28,39 Natrium 0,20
Aluminium 0,18 Silicone 0,17
HASIL XRD SETELAH ACID TREATMENT
• Dengan membandingkan hasil spectra sesudah dan sebelum acid treatment dapat diketahui perubahan yang terjadi pada struktur kristal setiap adsorben
HASIL XRD SETELAH ACID TREATMENT
• Bentuk spektra pada LMO 0,5; 0,8 dan 1 tetap sama, terjadi pergeseran peak kearah kanan. – Bentuk yang sama menandakan reaksi yang topotaktis – Pergesaran menandakan perubahan ukuran lattice
parameter.
• Dengan menggunakan rumus yang sama dapat dihitung ukuran lattice parameter pada sample. Sample Lattice Parameter (Å)
Nama Rumus Kimia Pre Acid Treatment Post Acid
Treatment
LMO 0,5 LiMn2O4 8,23 8,06
LMO 0,8 Li1.3Mn1.6O4 8,16 8,04
LMO 1 Li1.6Mn1.6O4 8,15 8,08
• Setelah proses acid treatment dimana lithium dikeluarkan dari struktur kristal LMO maka yang masih terdapat pada adsorben ialah kerangka mangan oksida
• Hal tersebut menyebabkan mengecilnya lattice parameter dari kristal
• Pada LMO 2, terjadi perubahan yang signifikan pada hasil spectra. – Menandakan bahwa LMO 2 tidak mengalami
pertukaran ion yang topotaktis. – Struktur yang berubah tidak dikehendaki dalam
proses adsorbsi dan desorbsi karena menunjukan ketidakstabilan yang akan mempengaruhi kapasitas lithium yang bisa diadsorb dan desorbsi
PENGUJIAN SEM
• Pengujian SEM dilakukan setelah proses kalsinasi LMO untuk mengetahui bagaimana morfologi dan ukuran dari sample yang sudah terbentuk
LMO 0,5
LMO 1 LMO 2
LMO 0,8
Range ukuran serbuk = 2 mikrometer – 50 mikrometer
• Ukuran serbuk yang terlalu kecil dapat menyebabkan keluarnya serbuk dari kantong adsorben.
• Hal ini tidak dikehendaki karena hilangnya serbuk dapat mengurangi kapasitas ion lithium yang bisa diadsorb dan desorb.
• Ukuran pori dari Kantong Polypropylene yang digunakan ialah 3 micrometer (Chung, 2008)
PENGUJIAN ICP
• Pengujian ICP dilakukan untuk mengetahui seberapa besar kandungan lithium pada Lumpur Sidoarjo sebelum dan setelah proses adsorbsi dilakukan oleh sample
• Hal ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan penyerapan lithium (Lithium Uptake) dari setiap sample
Tabel Lithium Uptake Lithium Mangan Oksida
Sample Lusi Pre Adsorbsi
Lusi Post Adsorbsi
Lithium Uptake (mg/g)
LMO 0,5
5.81
5.78 0.3
LMO 0,8 5.36 4.5
LMO 1 5.25 6.6
LMO 2 7.92 -21.1
Grafik Lithium Uptake terhadap Rasio Li/Mn Lithium Mangan Oksida
KESIMPULAN • Proses adsorbsi Lithium dari Lumpur Sidoarjo dapat dilakukan dengan
menggunakan Adsorben berbasis LMO. • LMO 1, 0,8 dan 0,5 memiliki struktur kristal Spinel, sedangkan pada LMO 2
memiliki struktur kristal Monoklinik. • Adsorben LMO dengan struktur kristal Spinel memiliki kemampuan
menyerap Lithium paling tinggi pada rasio mol Li/Mn 1 dengan Lithium Uptake sebesar 6,6 mg/g, pada LMO 2 yang berstruktur Monoklinik tidak dapat menyerap Lithium
SARAN
• Pada proses acid treatment dan adsorbs perlu digunakan container atau wadah yang sesuai sehingga dapat dilakukan steering.
• Penelitian selajutnya diharap fokus pada jenis Lithium Mangan Oksida dengan rasio mol Li/Mn 1 karena sudah terbukti memiliki lithium uptake yang tinggi.
• Penelitian selanjutnya diharap dapat melakukan proses recovery Lithium yang lebih lengkap, tidak sampai tahap adsorbsi saja.
Kandungan Lithium Sidoarjo
• Kandungan lithium = 5 ppm (mg/liter) • Debit Lumpur= 10.000 m3/hari = 10x106 liter/hari • Lithium yang dikeluarkan setiap hari = 50x106mg/hari= 50
Kg/hari
Setiap tahunnya=18.000 kg/tahun
Perhitungan Lithium Uptake (mg/g)
((𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑑𝑑𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 − 𝐿𝐿𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑙𝑙𝑝𝑝𝑎𝑎𝑑𝑑𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝) × 1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝)𝑚𝑚𝑎𝑎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑎𝑎 𝑎𝑎𝑑𝑑𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎
• LMO 1: ((5.81𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 − 5.25𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ) × 1 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝)
0.1 𝑚𝑚= 0.66
𝑚𝑚𝑚𝑚0.1𝑚𝑚
= 6.6 𝑚𝑚𝑚𝑚/𝑚𝑚
• LMO 0.8: ((5.81𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 − 5.36𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ) × 1 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝)
0.1 𝑚𝑚= 0.45
𝑚𝑚𝑚𝑚0.1𝑚𝑚
= 4.5 𝑚𝑚𝑚𝑚/𝑚𝑚
• LMO 0.5: ((5.81𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 − 5.78𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ) × 1 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝)
0.1 𝑚𝑚= 0.03
𝑚𝑚𝑚𝑚0.1𝑚𝑚
= 0.3 𝑚𝑚𝑚𝑚/𝑚𝑚
Ion exchange LMO 0,8 (Li) [Li0.33Mn1.67
IV]O4 + 1.33 H+ -> (H)[H0.33Mn1.67IV]O4+ 1.33 Li+
(Y-S Kim et al, 2002)
Reaksi Redoks pada LMO 0,5 4(Li)[MnIIIMnIVO4 ]+ 8H+ = 3[MnIV
2]O4 + 4Li+ + 2Mn2+ + 4H2O (Burns et al, 1996)
(Li)[Li0.2]16c[Li0.4Mn1.6]16dO4 + 1.6 H+ -> (H)[Li0.2]16c[Li0.4Mn1.6]16dO4 + 1.6 Li+
Ion exchange LMO 1
Rasio Li/Mn Rumus Kimia
Sample Nama Sample
Massa Reaktan (gram)
Li2CO3 MnO2
0,5 LiMn2O4 LMO 0,5 20,44 96,13
0,8 Li1,3Mn1,6O4 LMO 0,8 29,79 87,97
1 Li1,6Mn1,6O4 LMO 1 36,27 85,29
2 Li2MnO3 LMO 2 63,24 74,35
Massa reaktan yang dibutuhkan untuk sintesa LMO